Efectul densității asupra performanței termice a unui material izolant din fibră de sticlă

Introducere

O nouă opțiune este disponibilă pentru linia de instrumente NETZSCH HFM 436 (figura 1), care permite utilizatorilor să efectueze teste de măsurare a fluxului de căldură pe probe supuse unor sarcini de compresie ridicate; această caracteristică extinde gama de posibilități pentru programele de cercetare și dezvoltare privind izolațiile termice.

Prin variația presiunii plăcii asupra probei pentru a obține diferite niveluri de compresie, utilizatorii pot genera curbe ale conductivității termice în funcție de DensitateDensitatea masică este definită ca raportul dintre masă și volum. densitate, dezvăluind informații privind puterea relativă a diferitelor procese de transport al căldurii în produsele de izolare termică.

Această notă de aplicație oferă o analiză a celor trei mecanisme dominante de transport al căldurii într-un material izolant din fibră de sticlă pentru a obține o expresie analitică pentru dependența funcțională a conductivității termice de DensitateDensitatea masică este definită ca raportul dintre masă și volum. densitate; predicțiile modelului analitic sunt comparate cu datele reale ale testelor HFM generate sub diferite sarcini în HFM 436 Lambda. S-a observat o concordanță excelentă pe întreaga gamă de densități, care a cuprins un raport de 19:1 de la cea mai mare la cea mai mică.

Transferul de căldură multimodal în cadrul materialelor izolante

În lumea de astăzi, preocupată de energie, se reamintește constant importanța măsurilor de conservare a energiei - una dintre acestea fiind îmbunătățirea performanței termice a clădirilor cu ajutorul unei izolații de înaltă calitate. Eforturile de cercetare și dezvoltare ale producătorilor în vederea dezvoltării unor izolații termice mai performante au beneficiat în mare măsură de dezvoltarea în paralel a unor instrumente experimentale și analitice mai puternice pentru evaluarea progreselor lor. Noile capacități de testare discutate în această notă de aplicare reprezintă un alt pas în această direcție.

În studiul de față, am analizat transferul de căldură printr-o pătură din fibră de sticlă, utilizată în mod obișnuit ca izolație pentru clădiri. O astfel de pătură este o încâlceală de fibre de sticlă lungi care constituie matricea în care este prins aerul.

Conducția prin aer:

La temperaturi moderate, o parte semnificativă a transferului de căldură prin izolație are loc prin conducție prin aer, care este independentă de DensitateDensitatea masică este definită ca raportul dintre masă și volum. densitate. Acest mod de transfer de căldură este guvernat de ecuația Fourier cu o conductivitate constantă a aerului _λair.

Conducția prin fibrele de sticlă:

Transferul de căldură prin fi brele de sticlă este, de asemenea, guvernat de ecuația Fourier, dar în acest caz, conductivitatea termică corespunzătoare glass este o funcție a densității ρ. Căile de conducție cresc aproximativ proporțional cu densitatea ca:

_λglass = B∙ρ

cu B fiind o constantă.

Radiația:

Pentru modul de transfer de căldură prin radiație, pătura din fibră de sticlă este adesea considerată ca un mediu absorbant, emițător, participant și optic gros, cu proprietăți optice independente de lungimea de undă. Cu aceste ipoteze, transferul de căldură radiativ este derivat ca

_qradiativ = _-λrad dT/dx

Această ecuație este similară cu legea Fourier, acesta fiind motivul pentru care λrad este adesea denumită conductivitate termică radiativă. Cu cât pătura este mai densă, cu atât numărul fibrelor de sticlă pe unitatea de volum este mai mare, rezultând o împrăștiere mai mare și o scădere a transferului radiativ.

Fluxul radiativ scade astfel cu o rată invers proporțională cu densitatea:

_λrad = C/ρ

cu C fiind o constantă.

Căldura totală transferată prin pătură este suma acestor trei moduri distincte. Conductivitatea termică efectivă se obține astfel

_λtotal = _λair +B∙ρ + C/ρ

Această ultimă ecuație reprezintă relația dintre conductivitatea totală și densitatea păturii din fibre de sticlă cu trei parametri necunoscuți: _λair, B și C.

HFM 436 Măsurarea păturii din fibră de sticlă cu funcția de încărcare variabilă

Pornind de la o pătură izolantă din fibră de sticlă cu grosimea de 240 mm, au fost tăiate și stivuite la diferite înălțimi un set de secțiuni pătrate de 300 mm pe 300 mm. Măsurătorile conductivității termice cu densități diferite au fost efectuate prin variația grosimii prin presiunea plăcii. Pentru stivele de fibră de sticlă care depășeau deschiderea maximă de 100 mm a HFM 436/3, a fost efectuată precompresia cu plăci rigide înainte de instalarea în HFM. Toate măsurătorile au fost efectuate la temperatura camerei. Instrumentul a fost calibrat cu un standard NIST 1450d pentru plăci din fibră de sticlă cu grosimea de 25 mm, iar diferența de temperatură a plăcilor a fost de 20 K.

Rezultate și discuții

Rezultatele măsurătorilor sunt prezentate în tabelul 1 și în figura 2.

Tabelul 1: Conductivitatea termică în funcție de DensitateDensitatea masică este definită ca raportul dintre masă și volum. densitate pentru o probă din fibră de sticlă supusă la diferite setări de sarcină de compresie într-un aparat HFM la temperatura camerei

Curba albastră a fost obținută prin ajustarea punctelor de date cu modelul conductivității totale prin metoda celor mai mici pătrate. Se poate concluziona că modelul prezentat mai sus este o formulare adecvată a procesului de transfer de căldură prin pătura din fibră de sticlă. Curbele punctate reprezintă fiecare mod de transfer preconizat. Rezultatele arată un minim larg al conductivității termice în intervalul de DensitateDensitatea masică este definită ca raportul dintre masă și volum. densitate de aproximativ 50-80 ^Kg/m3, aproape de densitatea în care conductivitatea datorată fibrelor de sticlă este egală cu conductivitatea radiativă. Aceste informații ar putea fi utilizate de producători pentru a optimiza performanța produselor lor prin minimizarea conținutului de fibre de sticlă și, prin urmare, a costurilor. Densitatea optimă, de exemplu, s-ar afla probabil pe partea cu DensitateDensitatea masică este definită ca raportul dintre masă și volum. densitate scăzută a minimului de conductivitate.

Concluzie

Este foarte convenabil să efectuați un astfel de studiu cu funcția de sarcină variabilă. O analiză statistică riguroasă ar necesita cu siguranță mai multe puncte de date, ușor de realizat cu HFM 436 Lambda. Un test complet poate fi programat cu ușurință cu diferite sarcini și temperaturi. Această aplicație se extinde, de asemenea, la alte materiale izolante poroase, cum ar fi lâna de rocă (minerală) sau de zgură.